Расшифровка влияния антоцианов: генетические данные о компромиссах между защитой растений и ростом

Антоцианы — ключевые пигменты растений для устойчивости к абиотическому стрессу. Они могут обеспечивать фотозащиту, поглощая видимый свет и улавливая активные формы кислорода (АФК) при биотическом стрессе. Однако сравнительные исследования функции антоцианов затруднены из-за отсутствия изогенных моделей растений с различным уровнем антоцианов.

Генетические исследования томатов выявили ген ANTHOCYANIN1 (ANT1), фактор транскрипции MYB томата (Solanum lycopersicum), что открывает перспективный путь для изучения. Ключевой проблемой остаётся определение основного защитного механизма антоцианов в фотосинтезе растений.

Horticulture Research опубликовал перспективную статью под названием "Promoter replacement of ANT1 induces anthocyanin accumulation and triggers the shade avoidance response through developmental, physiological and metabolic reprogramming in tomato."

В этом исследовании для изучения влияния сверхпродукции антоцианов на рост и развитие растений сначала сравнили процент всхожести. Результаты показали, что семена растений ANT1 (с заменой промотора ANT1) с высоким содержанием антоцианов имели значительно более низкую всхожесть, чем контроль (MT) и мутанты с дефицитом антоцианов (a и aa).

Также были затронуты сроки цветения и вегетативный рост: у растений ANT1 наблюдалась задержка цветения и снижение вертикального роста после цветения. Количество боковых побегов и общая площадь листьев были заметно снижены у растений ANT1. Продуктивность оценивали у ANT1 и его гибридов с M82, показав, что, несмотря на схожее содержание растворимых сухих веществ, урожайность плодов была снижена из-за меньшего размера плодов и меньшего их количества на растение.

Анализ поглощения света и структуры листа выявил, что спектральные свойства листьев ANT1 изменились: увеличилось поглощение в синей и красной областях спектра. Также были обнаружены структурные различия, такие как дифференциальное удлинение палисадной паренхимы и уменьшение толщины обоих слоёв эпидермиса, что привело к изменению толщины листа.

Для понимания влияния антоцианов на фотосинтез исследовали газообмен. Растения ANT1 показали более низкие скорости фотосинтеза и транспирации, а также сниженные скорости карбоксилирования и электронного транспорта. Кроме того, высокий уровень антоцианов в ANT1 обеспечивал фотозащиту в условиях высокой освещённости, поддерживая более стабильную эффективность фотосистемы II (Fv/Fm).

Транскриптомный анализ показал, что накопление антоцианов приводит к изменению экспрессии генов, связанных с реакцией избегания тени (SAR). Растения ANT1 показали дифференциальную экспрессию генов фоторецепторов, регуляторов SAR и других генов, влияющих на морфологию и сигнализацию. Наконец, метаболомический профиль растений ANT1 и их гибридов выявил, что уровни некоторых углеводов были повышены, в то время как концентрации многих аминокислот были ниже у ANT1, а некоторые органические кислоты были умеренно повышены.

В заключение, это исследование не только углубляет понимание роли антоцианов в физиологии растений, но и открывает перспективный путь для использования манипуляций с антоцианами в селекции сельскохозяйственных культур для оптимизации роста и продуктивности растений.